新型橋墩模型在鋼筋混凝土橋梁結構中的應用研究

黃鶴，秦攀，黃漢義

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430052)

抗震設計的本質(zhì)思想是如何為結構提供抵抗地震作用的能力，中國是一個經(jīng)常發(fā)生地震的國家，對于處于地震帶中的橋梁工程，傳統(tǒng)的設計理念一般采用增加上部結構強度的方式來滿足抗震設計的要求，但是這種方式成本較高。

學術界對減隔震設計的研究起源于20世紀60年代，是由于人們發(fā)現(xiàn)很多沒有約束的建筑結構在強烈的地震荷載作用下能夠完好的保存下來，在此基礎上減隔震設計開始引起了人們的重視，并且逐漸提出了一套完整的減隔震設計理念，主要包括兩種不同的類型：一是橋梁上部結構與下部結構之間采用隔震支座的墩頂支承隔震技術; 另一種是自復位橋墩技術，主要是在墩與基礎之間設置具有獨立的耗能組件。在此基礎上，國內(nèi)外很多學者對其進行了研究，Yim，Shenton等對剛體的搖擺和滑動行為進行了大量研究，結果表明：結構的搖擺行為可以降低自身的地震響應；Housner在1963年率先進行了研究，并指出能夠搖擺的結構可以消耗部分地震能量；2001年，Makris和Zhang通過大量試驗針對約束剛體的搖擺響應進行了研究，結果表明：受約束的剛體比無約束剛體更能承受高振幅的搖擺，但是僅僅局限于一定的頻率范圍，當搖擺動作處于某種頻率狀態(tài)時，結果將是相反的。

目前，國內(nèi)外常見的自復位裝置主要包括加臺兩側設置限位鋼筋的自復位結構、墩身中心設置預應力防傾覆鋼筋的自復位結構以及設置耗能阻尼器的自復位結構等形式的自復位裝置。試驗研究以及工程檢驗表明：此類型的構件減震效果并不明顯，并且設計構造復雜，施工難度大，在實際應用中不太理想。因此，該文基于鋼筋混凝土橋墩良好的抗震性能，提出一種新型的鋼筋混凝土自復位橋墩模型，并對該模型的減隔震機理及效果進行研究。

1 工程背景

閱江大橋位于廣東省肇慶市，項目線位起點位于北岸端州區(qū)古塔路與星湖大道交叉路口，沿古塔路跨越西江，在南岸高要烏榕村與世紀大道(S272)銜接。主線全長3.837 km，其中主線橋梁2 355 m/1 座(計入互通主線橋長)，于建設路設置匝道出入口1處，終點設置互通1 處。主線橋梁橋跨組合為：5×25 m+(31+2×35+31)m+2×4×25 m +3×25 m +4×25 m+(27+41+32)m 現(xiàn)澆連續(xù)箱梁+(45+2×70+45)m 連續(xù)剛構+2×45 m +3×45 m預應力T 梁+(160+320+160)m 斜拉橋+2×45 m 預應力T梁，終點側引橋計入世紀大道互通主線橋中。主橋采用雙塔單索面，墩、塔、梁固結的預應力混凝土斜拉橋，跨徑為(160+320+160)m，主梁采用單箱五室箱形斷面，主塔采用鋼-混組合塔，主墩采用重力式橋墩；引橋上部結構采用連續(xù)剛構、連續(xù)箱梁、預制簡支T 梁3種形式，為了提高該橋梁結構的抗震性能，該文對新型搖擺自復位橋墩模型進行研究。

2 新型搖擺自復位橋墩簡介

根據(jù)自復位減隔震設計相關理念提出圖1所示的自復位橋墩柱試驗模型。與傳統(tǒng)橋墩相比，試驗模型通過增加一定剛度的彈簧[如圖1(b)]以及高阻尼橡膠墊塊[如圖1(c)]將加臺的提離高度進行了限位處理，從而使其與墩柱形成一個整體。

在正常地震荷載強度作用下，橋墩依靠上部結構自重來抵御墩底彎矩，此時墩柱不會發(fā)生提離，彈簧或高阻尼橡膠墊塊處于自由狀態(tài)，如圖1(a)所示。

(a)未發(fā)生提離狀態(tài)

但是當?shù)卣鸷奢d的強度較大時，自復位橋墩發(fā)生提離搖擺，墩身以及上部結構自重可以提供一個恢復力，從而使得結構具有一定的自復位功能[圖1(b)、(c)]。

與傳統(tǒng)自復位墩相比，該文提出的新型搖擺自復位橋墩設計變化范圍小，易于實現(xiàn)。墩身無需額外的阻尼裝置，本身可用作搖擺式耗能裝置，從而節(jié)約了抗震設計的成本，并且其具有更廣泛的應用范圍。

3 鋼筋混凝土自復位橋墩模型研究

3.1 鋼筋混凝土自復位橋墩模型設計

文中的原型墩是一個鋼筋混凝土矩形墩，其主梁跨度為12 m。鋼筋混凝土矩形墩是基于原型橋墩，采用結構相似性原理設計的。在模型上進行振動臺試驗，研究模型在不同地震波峰值加速度下的加速度和應力響應以及結構位移，最終根據(jù)試驗結果選擇出抗震性能較好的搖擺鋼筋自復位橋墩試驗模型，試驗模型的具體尺寸如圖2所示。

圖2 試驗模型尺寸圖(單位：cm)

基于相似條件，試驗模型均按照1∶20的比例設計了兩種不同類型的鋼筋自復位橋墩試驗模型。自復位試驗模型Ⅰ是在平臺的兩側設置高阻尼橡膠墊塊，如圖3所示，高阻尼橡膠墊可以在橋墩發(fā)生提離后提供限位和復位功能，同時可以通過橡膠墊塊消耗一部分震動能量，從而實現(xiàn)保護墩身的作用。

圖3 試驗模型Ⅰ：設置高阻尼橡膠支座的搖擺隔震橋墩

模型Ⅱ是在加臺的兩側設置具有一定剛度的彈簧搖擺自復位橋墩試驗模型，如圖4所示，彈簧僅在墩被提離后提供限制和復位功能，彈簧本身不能夠消耗地震能量。

圖4 試驗模型Ⅱ：設置自復位彈簧的搖擺隔震橋墩

模型Ⅲ為墩身、加臺和承臺為一個整體的傳統(tǒng)重力式橋墩模型，如圖5所示，設置模型Ⅲ的主要目的是作為參考模型與試驗模型進行對比分析。

圖5 試驗模型Ⅲ：相同尺寸大小的傳統(tǒng)重力式橋墩

以上3個模型的混凝土強度以及墩身和加臺的配筋形式基本相同，模型均采用了強度為C30的混凝土，墩身配置了6根縱向鋼筋，配筋率為0.7%，加臺配置了20根縱向鋼筋，外圍用鋼筋作為箍筋進行包裹，模型墩身與加臺設計配筋形式如圖6所示。

圖6 試驗模型墩身配筋圖(單位：除鋼筋直徑為mm外，其余：cm)

試驗模型中采用的鋼筋材料性能如表1所示。

表1 鋼筋的材料性能

3.2 模型測點布置

試驗測試內(nèi)容包括位移、加速度以及應變3項，在布置應變測點時主要考慮模型結構的地震反應，模型Ⅰ、Ⅱ測點的布置位置如圖7所示。

圖7 測點布置圖

模型Ⅲ沒有布置豎向傳感器，其余測點布置與模型Ⅰ、Ⅱ一致。

3.3 輸入地震波

試驗選取適用于Ⅰ類場地的EL-Centro地震波，在試驗中將地震波加速度設置為0.2g(多遇地震)、0.4g(設計地震)、0.6g(罕遇地震)，試驗過程從小到大依次進行加載，3種模型的工況保持一致，地震波的加速度時程曲線如圖8所示。

圖8 試驗加載的EL-Centrol地震波

4 模型結構的地震反應分析

4.1 試驗現(xiàn)象

當輸入地震波的峰值為0.2g時，模型Ⅰ、Ⅱ幾乎不發(fā)生任何提離搖擺，這與模型Ⅲ的試驗現(xiàn)象基本吻合；當輸入地震波的峰值為0.4g時，模型Ⅰ、Ⅱ在地震作用下均發(fā)生輕微的提升搖擺; 當輸入地震波的峰值為0.6g時，模型Ⅰ、Ⅱ產(chǎn)生大幅度的提升搖擺，在距離墩臺底部5 cm處，模型Ⅲ的長邊方向上產(chǎn)生裂縫，但是模型Ⅰ、Ⅱ在整個試驗過程中均未發(fā)生明顯的損壞。

4.2 加速度響應

3種鋼筋自復位橋墩模型在0.2g、0.4g以及0.6g共3種不同峰值加速度的El-Centro地震波作用下，加臺豎向提離加速度極值以及墩頂水平加速度極值如圖9所示。

圖9 不同地震峰值加速度作用下橋墩加速度極值

隨著輸入地震波峰值的增加，3種鋼筋混凝土自復位橋墩模型墩頂?shù)募铀俣葮O值不斷增大。與傳統(tǒng)橋墩模型Ⅲ相比，在0.6g地震波的作用下，模型Ⅰ對應的加速度極值減小了54%，而模型Ⅱ墩頂對應的加速度極值減少了78%。在0.6g地震波的作用下，模型Ⅱ的加臺豎向提離加速度為模型Ⅰ的1.5倍，在三者中處于最大。

4.3 位移響應

3種鋼筋自復位橋墩模型在3種不同峰值加速度的El-Centro地震波作用下，加臺豎向提離位移極值以及墩頂水平位移極值分別如圖10(a)、(b)所示。

圖10 不同地震峰值加速度作用下試驗橋墩位移極值

3種鋼筋自復位橋墩模型在0.6g的El-Centro地震波作用下，墩頂水平位移以及加臺豎向提離位移時程曲線如圖11(a)、(b)所示。

圖11 3種試驗模型墩位移時程曲線

由圖10可以看出：隨著輸入的地震波峰值逐漸增大，3種鋼筋自復位橋墩模型的墩頂位移都呈現(xiàn)增大的趨勢。在同種強度的地震波峰值荷載下，模型Ⅱ的墩頂水平位移達到最大值，模型Ⅰ次之，而模型Ⅲ的最值為最小。

與傳統(tǒng)重力式橋墩模型Ⅲ相比，在0.2g的地震波作用下，模型Ⅰ的墩頂水平位移極值增大了75%，模型Ⅱ極值增大了110%。但3種鋼筋自復位橋墩模型的墩頂水平位移數(shù)值都比較小，這也證明了多遇地震作用對模型位移結果影響并不明顯；0.6g的地震波作用下，與傳統(tǒng)重力式橋墩模型Ⅲ相比，模型Ⅰ的墩頂水平位移極值增大了17%，模型Ⅱ的極值則增大了兩倍。

4.4 應力響應

3種鋼筋自復位橋墩模型在0.2g、0.4g以及0.6g共3種不同的地震波作用下，墩底實測應力極值如圖12所示。

圖12 不同加速度峰值作用下墩底應力極值

由圖12可知：與傳統(tǒng)重力式橋墩模型Ⅲ相比，在0.2g的地震波作用下，模型Ⅰ的墩底應力極值減小了0.9%，模型Ⅱ減小了2.7%，這也證明了多遇地震作用對模型墩底應力結果影響并不明顯；0.6g的地震波作用下，與傳統(tǒng)重力式橋墩模型Ⅲ相比，模型Ⅰ的墩底應力極值減小了12%，模型Ⅱ減小了25%，從而表明，新型搖擺自復位橋墩能夠有效降低橋墩墩底應力值，有效避免橋墩在地震中受到破壞。

5 結論

通過對3種鋼筋自復位橋墩模型進行試驗研究，得到以下結論：

(1)與傳統(tǒng)的重力式橋墩相比，在同種烈度的地震波作用下，新型鋼筋自復位橋墩模型在應力響應以及加速度響應方面都有所降低，表明這兩種自復位橋墩模型具有良好的減隔震性能。

(2)與傳統(tǒng)的重力式橋墩相比，在同種烈度的地震波作用下，新型鋼筋自復位橋墩模型在墩頂水平位移響應方面會有所增大，主要是由于墩頂與基礎部分的約束比較薄弱，因此在搖擺隔震橋墩的設計中應對墩頂?shù)乃轿灰浦攸c關注。

(3)與設置自復位彈簧的鋼筋搖擺自復位橋墩相比，設置高阻尼橡膠支座的自復位橋墩加速度以及應力響應更小，但位移響應相對較大，高阻尼橡膠支座的搖擺自復位橋墩是一種更為理想的搖擺自復位結構形式。